二重积分计算及应用研究
二重积分求导的原理及应用

二重积分求导的原理及应用一、二重积分求导的原理在微积分中,二重积分是求解给定区域上的函数值的一种重要方法。
在对二重积分进行求导时,需要了解其原理。
二重积分的求导可以通过两种方法进行:一种是直接对积分进行求导,另一种是通过对被积函数进行求导再进行积分。
直接对积分进行求导直接对二重积分进行求导时,需要使用对Leibniz积分符号求导的方法进行计算。
假设有一个二重积分$$ I = \\int_{a}^{b} \\int_{c}^{d} f(x,y) \\, dx \\, dy $$我们可以将其看作两个积分的复合,即$$ I = \\int_{c}^{d} \\left( \\int_{a}^{b} f(x,y) \\, dx \\right) \\, dy $$然后对内层积分进行求导,最后再对外层积分进行求导,即可得到二重积分的导数。
对被积函数进行求导再进行积分另一种求解二重积分导数的方法是对被积函数进行求导再进行积分。
假设有一个二重积分$$ I = \\int_{a}^{b} \\int_{c}^{d} f(x,y) \\, dx \\, dy $$我们先对函数f(x,y)进行求导,得到其偏导数$\\frac{\\partial f}{\\partial x}$和$\\frac{\\partial f}{\\partial y}$,然后再对其进行积分。
二、二重积分求导的应用二重积分求导在许多实际问题中有广泛的应用,以下列举了一些常见的应用。
1. 面积计算二重积分求导可以用于计算给定区域的面积。
假设有一个平面区域D,可以通过计算该区域上的一个常数函数的二重积分来得到该区域的面积。
即$$ A = \\int_{a}^{b} \\int_{c}^{d} 1 \\, dx \\, dy $$其中,A表示区域D的面积。
2. 质量计算二重积分求导也可以用于计算给定区域上的质量。
假设有一个平面区域D,其密度函数为$\\rho(x,y)$,可以通过计算该区域上密度函数的二重积分来得到该区域的质量。
二重积分的计算与应用

目录摘要 (1)关键词 (1)Abstract (1)Keywords (1)前言 (1)1.二重积分的概念 (1)1.1二重积分的定义 (1)1.2可积条件 (2)1.3可积类 (2)1.4二重积分的性质 (2)2.二重积分的计算方法 (3)2.1直角坐标系下的二重积分的计算 (3)2.2二重积分的变量变换 (4)2.2.1普通情况下的变换 (4)2.2.2极坐标计算二重积分 (4)3.广义二重积分 (6)4.二重积分的应用 (6)4.1体积 (7)4.2曲面的面积 (8)4.3其它 (8)参考文献 (9)二重积分的计算与应用学生姓名:学号:数学与信息科学学院数学与应用数学专业指导教师:职称:摘要:研究了二重积分的几何意义,概念,性质以及在直角坐标系及极坐标下的计算方法,并给出了计算公式及相关例题,最后总结了二重积分的计算方法.关键词:二重积分;直角坐标系;极坐标;曲顶柱体The calculation and application of double integral Abstract : This paper mainly studies the geometric significance of double integral, the concept, nature and calculation method under the rectangular coordinate system and polar coordinate calculation method.Key Words: Double integral; The rectangular coordinate system; The polar coordinate; Curved top cylinder前言我们已经很熟悉定积分的一些性质及计算方法.同样,二重积分在实际中应用广泛,且有直观的几何解释,所不同的是现在讨论的对象为定义在平面区域上的二元函数.这类问题在物理学与工程技术中也常遇到,如求非均匀平面的质量、质心、转动惯量等.二重积分的计算的基本途径是将其转化成二次积分计算,计算二重积分时选择积分顺序,交换积分次序以及转换坐标系都是至关重要的问题.本文对二重积分的计算方法进行了全面的概括和总结,并对各种计算方法的选择进行了认真地研究,为准确的计算二重积分提供有效的帮助.1.二重积分的概念1.1[]2二重积分的定义设(,)f x y是定义在可求面积的有界闭区域D上的函数.J是一个确定的数,若对任给的某个正数ε,总存在某个正数δ,是对于D的任何分割T,当它的细度||T||时,属于T 的所有积分和都有1(,)||ni i i i f J ξσσε=∆-<∑则成(,)f x y 在D 上可积,数J 称为(,)f x y 的二重积分,记为(,)σDJ f x y d =⎰⎰.1.2[]1可积条件二重积分的可积条件与定积分类似(1)必要条件:函数(,)f x y 在D 上可积,则(,)f x y 在D 上必有界. (2)充要条件:①函数(,)f x y 在D 上可积s S =⇔(其中S ,s 分别为在上的上积分和下积分). ②函数(,)f x y 在D 上可积⇔对0>∀ε,存在分割T ,使得()().ε<-T s T S③函数(,)f x y 在D 上可积⇔对0>∀ε,存在分割T ,使得.1εσω<∑=∆ni i i1.3[]1可积类(1)有界闭区域D 上的连续函数必可积.(2)若(,)f x y 在有界闭区域D 上有界,且仅在D 内有限条光滑曲线上不连续,则(,)f x y 在D 上可积.1.4[]2二重积分的性质性质4.1(线性性) (,)σ(,)σDDkf x y d k f x y d =⎰⎰⎰⎰.性质4.2(线性性)[](,)(,)σ=(,)σ(,)σDDDf x yg x y d f x y d g x y d ±±⎰⎰⎰⎰⎰⎰.性质4.3(分段可加性)1212(,)σ=(,)σ+(,)σD D D D f x y d f x y d f x y d +⎰⎰⎰⎰⎰⎰.性质4.4(保不等式性) 设(,),(,)(,)x y D f x y g x y ∀∈<, 则 (,)σ(,)σDDf x y dg x y d <⎰⎰⎰⎰.性质4.5 设(,)m f x y M ≤≤,则(,)σDm f x y d M σσ≤≤⎰⎰其中σ表示D 的面积.性质4.6 (二重积分的中值定理)设函数(,)f x y 在闭区域D 上连续,D S 是D 的面积,则∃(ζ,η)∈D 使得(,)Df x y ⎰⎰σd =(,)f ξηDS.其中中值定理的几何意义:以D 为底,z=(,)f x y ((,)f x y ≥0)为曲顶的曲顶柱体体积等于一个同底的平顶柱体的体积,这个平顶柱体的高等于(,)f x y 在区域D 某点的函数值(,)f ξη.2.二重积分的计算方法定理1 设在矩形区域[][],,D a b c d =⨯上可积,且对每个[],x a b ∈积分存在,则累次积分(,)b d acdx f x y dy ⎰⎰也存在,且(,)σ=(,)b d acDf x y d dx f x y dy ⎰⎰⎰⎰.另外,同理(,)σ=(,)db caDf x y d dy f x y dx ⎰⎰⎰⎰.2.1[]4直角坐标系下的二重积分的计算此方法的关键就是化二重积分为累次积分,对于一般区域,通常可以分为以下两种区域进行计算:①X 型区域:平面点集12{(,)|()(),},D x y y x y y x a x b =≤≤≤≤ 则化二重积分为累次积分21()()(,)σ(,)bx a x Dy f x y d dx f x y dy y =⎰⎰⎰⎰. ②Y 型区域:平面点集{12(,)|()(),}D x y x y x x y c y d =≤≤≤≤则化二重积分为累次积分21()()(,)σ=(,)dy c y Dx f x y d dy f x y dx x ⎰⎰⎰⎰. 例1 设D 是由直线0,1x y ==及x y =围成的区域,试计算22()y DI x e d σ-=⎰⎰.解 利用Y 型区域积分:231123001()3yy y I dy x e dx y e dy --==⎰⎰⎰.由分部积分法得 1163I e=-. 例2 计算二重积分Dd σ⎰⎰,其中D 为由直线2,2y x x y ==及3x y +=所围的三角形区域.解 利用X 型区域,则相应的221()2(01),()3(12),2x y x x x y x x x y =≤≤=-<≤=所以 1223012212x x x x DD D d d d dx dy dx dy σσσ-=+=+⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰1201(2)(3)22x xx dx x dx =-+--⎰⎰ =32. 2.2[]5 二重积分的变量变换定理2 设(,)f x y 在有界闭区域D 上可积,变换T: (,),(,)x u v y u v ==将uv 平面由按段光滑闭曲线所围成的闭区域∆一对一的映成xy 平面上的闭区域D ,函数(,),(,)x u v y u v 在∆内分别具有一阶连续偏导数且它们的行列式 (,)0(,)(,)x y J u v u v ∂=≠∈∆∂, 则 (,)((,),(,))|(,)|D f x y dxdy f x u v y u v J u v dudv ∆=⎰⎰⎰⎰. 2.2.1普通情况下的变换例3 求抛物线22,y mx y nx ==和直线,y x y x αβ==所围成的区域D 的面积S (0,0m n αβ<<<<).解 D 的面积DS dxdy =⎰⎰为了简化积分区域,做变换2,,u ux y v v==则[][],,m n αβ∆=⨯.由于4(,)(,)(,)x y uJ u v u v v ∂==∈∆∂,所以 22334433()()6n m Du dv n m S dxdy dudv u du v v βαβααβ∆--====⎰⎰⎰⎰⎰⎰. 2.2.2极坐标计算二重积分当积分区域是圆域或圆域的一部分时,或者背积函数的形式为22()f x y +时,采用极坐标变换T :cos ,sin (0,02)x r y r r θθθπ==≤<+∞≤≤, 则 (,)(,)(,)x y J r r u v θ∂==∂.定理3 设(,)f x y 满足定理1的条件,且在极坐标变换下xy 平面上有界闭区域D 与r θ平面上区域∆对应,则成立(,)(cos ,sin )Df x y dxdy f r r rdrd θθθ∆=⎰⎰⎰⎰.二重积分在极坐标下化为累次积分有以情况:1.θ型区域:若原点o D ∈,且xy 平面上射线θ=常数与D 的边界至多交与两点,则必可表示为12()(),r r r θθαθβ≤≤≤≤, 于是有 2()1()(,)(cos ,sin )r r Df x y dxdy d f r r rdr βθαθθθθ=⎰⎰⎰⎰.R 型区域:若平面上的圆r =常数与D 的边界至多交与两点,则∆必可表示为1212()(),r r r r r θθθ≤≤≤≤,于是有 2211()()(,)(cos ,sin )r r Dr f x y dxdy rdr f r r d r θθθθθ=⎰⎰⎰⎰.2.若原点为D 的内点,D 的边界的极坐标方程为()r r θ=,则∆必可表示成为0(),02r r θθπ≤≤≤≤,于是有 2()0(,)(cos ,sin )r Df x y dxdy d f r r rdr πθθθθ=⎰⎰⎰⎰.3.若原点O 在D 的边界上,则∆为0(),r r θαθβ≤≤≤≤, 于是有 ()0(,)(cos ,sin )r Df x y dxdy d f r r rdr βθαθθθ=⎰⎰⎰⎰.例4 计算I=D其中D 为圆域.122≤+y x解 由于原点为D 的内点故有210Dd πθ=⎰⎰[].212010202πθθππ=--=⎰⎰d d r例5 求球体2222x y z R ++≤被圆柱体22x y Rx +=所割下部分的体积(称为维维安尼体(Viviani )).解 由所求立体的对称性,只要求出第一卦限的部分体积后乘以4即可.在第一卦限内的体积是一个曲顶柱体,其底为xy 平面内由0y ≥和22x y Rx +=所确定的区域,曲顶的方程为z =所以4DV σ=.其中D={}22(,)|0,x y y x y Rx ≥+≤,用极坐标变换后有cos33322004424(1sin )()3323R V d R d R ππθπθθθ==-=-⎰⎰⎰.3[]4.广义二重积分若在无界区域D 上(),0,≥y x f 则()σd y x f D⎰⎰,收敛⇔在D 的任何有界子区域上f 可积,且积分值有上界.例6 证明反常积分σd e Dy x⎰⎰+-)(22收敛,其中[)[);,0,0+∞⨯+∞=D 并由此计算概率积分.02dx e x ⎰+∞-证明 设(),,)(22y xe y xf +-= 则显然()y x f ,在[)[)+∞⨯+∞=,0,0D 上非负.设,0,0,:222≥≥≤+y x R y x D R 则).1(4r 2222020)(R Rr Dy x e e d d e--+--==⎰⎰⎰⎰πθσπ显然对D的任何有限子集'D ,只要R 充分大,总可使得,'R D D ⊂ 于是有.4'22'22)()(πσσ≤≤⎰⎰⎰⎰+-+-d e d e Dy xDy x即广义积分σd e Dy x⎰⎰+-)(22收敛.记,2dx e I x ⎰+∞-=则.))(()(022222dxdy e dy e dx e I Dy xy x ⎰⎰⎰⎰+-+∞-+∞-== 其中[)[),,0,0:+∞⨯+∞D 做极坐标代换,0,20,sin ,cos +∞<≤≤≤⎩⎨⎧==r r y r x πθθθ 则,4r 02022πθπ==⎰⎰∞+-dr e d I r .202π==⎰∞+-dx e I x 4.二重积分的应用二重积分在几何、物理等许多学科中有着广泛的应用,这里重点介绍它在几何方面的应用. 4.1体积根据二重积分的几何意义,⎰⎰Dd y x f σ),(表示以),(y x f 为曲顶,以),(y x f 在xOy坐标平面的投影区域D 为底的曲顶柱体的体积.因此,利用二重积分可以计算空间曲面所围立体的体积. 例7[]6 求椭球面1222222=++cz b y a x 所围之椭球的体积.解 由于椭球体在空间直角坐标系八个卦限上的体积是对称的.令D 表示椭球面在xOy 坐标面第一象限的投影区域,则D ,0,0,1),(2222⎭⎬⎫⎩⎨⎧≥≥≤+=y x b y a x y x体积.),(8⎰⎰=Ddxdy y x z V 作广义极坐标变换θθsin ,cos br y ar x ==,则此变换的雅可比行列式abr J =,与D 相对应的积分区域{},20,10),(*πθθ≤≤≤≤=r r D 此时,1),(2r c y x z z -==从而 abrdr r c d drd J br ar z V D ⎰⎰⎰⎰-==2*1218)sin ,cos (8πθθθθ.34128102abc dr r r abc ππ⎰=-⋅= 例8[]6 求球面+2x 2224a z y =+与圆柱面)0(222>=+a ax y x 所围立体的体积.图1解 由对称性(图1(a )给出的是第一卦限部分).44222⎰⎰--=Ddxdy y x a V其中D 为半圆周22x ax y -=及x 轴所围成的闭区域(图1(b )).在极坐标系中,与闭区域D 相应的区域*D {},20,cos 20),(πθθθ≤≤≤≤=a r r 于是⎰⎰⎰⎰-=-=Da rdr r a d rdrd r a V 20cos 2022224444πθθθ=.)322(332)sin 1(33220333⎰-=-ππθθa d a4.2曲面的面积设曲面S 的方程为),,(y x f z = 它在xOy 面上的投影区域为,xy D 求曲面S 的面积.A若函数),(y x f z =在域xy D 上有一阶连续偏导数,可以证明,曲面S 的面积.),(),(122dxdy y x f y x f A xyD y x ⎰⎰'+'+=(1)例9 计算抛物面22y x z +=在平面1=z 下方的面积.解 1=z 下方的抛物面在xOy 面的投影区域xy D {}.1),(22≤+=y x y x又,2x z x =',2y z y =' 221y x z z '+'+=,44122y x ++ 代入公式(1)并用极坐标计算,可得抛物面的面积 ⎰⎰⎰⎰+=++=xyxyD D rdrd r dxdy y x A *22241441θ=).155(6)41(201212-=+⎰⎰πθπrdr r d如果曲面方程为),(z y g x =或),(z x h y =,则可以把曲面投影到yOz 或xOz 平面上,其投影区域记为yz D 或xz D ,类似地有.),(),(122dydz z y g z y g A yzD zy ⎰⎰'+'+= 或.),(),(122dxdz x z h x z h A xzD z x⎰⎰'+'+= 4.3其它例10[]4 平均利润 某公司销售商品Ⅰx 个单位,商品Ⅱy 个单位的利润),(y x P .5000)100()200(22+----=y x现已知一周内商品Ⅰ的销售数量在150~200个单位之间变化,一周内商品Ⅱ的销售数量在80~100个单位之间变化.求销售这两种商品一周的平均利润.解 由于y x ,的变化范围{},10080,200150),(≤≤≤≤=y x y x D 所以D 的面积.10002050=⨯=σ 由二重积分的中值定理,该公司销售这两种商品一周的平均利润为[]σσσd y x d y x P DD⎰⎰⎰⎰+----=5000)100()200(10001),(122 []dy y x dx 5000)100()200(100012210080200150+----=⎰⎰ dx y y y x 100803220015050003)100()200(10001⎥⎦⎤⎢⎣⎡+----=⎰ 20015020015023292000)200(2030001⎰⎥⎦⎤⎢⎣⎡+--=x x dx 4033300012100000≈=(元). 参考文献:[1] 赵树原,胡显佑,陆启良.微积分学习与考试指导[M] .北京:中国人民大学出版社, 1999. [2] 华东师范大学数学系.数学分析(第三版)[M]. 北京:高等教育出版社,2004. [3] 刘玉琏,傅沛仁等.数学分析讲义(第四版)[M]. 北京:高等教育出版社,2003. [4] 周应编著. 数学分析习题及解答[M]. 武汉:武汉大学出版社,2001. [5] 胡适耕,张显文编著. 数学分析原理与方法[M].北京:科学出版社,2008. [6] 吴良森等编著. 数学分析习题精解[M].北京:科学出版社,2002.。
二重积分的解法技巧及应用研究

二重积分的解法技巧及应用研究摘要二重积分是多元函数积分学中的一部分,而二重积分的概念和解法技巧是多元函数微积分学的重要部分,二重积分是联系其他多元函数积分学内容的中心环节,故而它也是核心。
二重积分在多元函数积分学中有重要的作用,深入理解二重积分的概念,熟练掌握二重积分的计算方法,是学好多元函数积分学的关键。
本文主要研究的是二重积分的解法技巧,对于二重积分的解法主要利用在直角坐标系下求解,极坐标的方法,积分次序的交换与坐标系的转换的方法,选择适当的积分次序求二重积分,用适当方法计算二重积分(奇偶性,周期性等)的计算技巧。
本文首先主要介绍二重积分的概念以及性质;其次介绍二重积分的解法技巧;最后主要根据二重积分的概念和性质,给出实例分析二重积分在物理、经济以及工程上的一些应用问题。
二重积分是《数学分析》中的重要内容,它涉及到多个学科领域,并且起着至关重要的作用,在计算过程中通常寻求更好的解题技巧,从而在实际应用中获得更高的效率。
关键词:二重积分;性质;解法技巧;应用研究Double integral solution techniques and application researchAbstractThe double integral is part of a multivariate function in integral calculus. The concept of double integrals and the techniques of solutions are an important part of multi-variate calculus.The double integral is the center link with other multivariate function integration of content.Therefore ,it is also the core. The double integral is important in multivariate integral calculus. Understanding the concept of double integral and mastering the double integral calculation method are the key to learn the multivariate function in integral calculus.This paper mainly studies the solutions for double integral and application research.Dou- ble integral to the solution of the main use is solved in the Cartesian coordinate system, polar coordinates method, method of integral order exchange and coordinate system, selecting the integral order appropriate for calculation of double integral, double integral with the appropri- ate method (parity, periodic etc.) on the computational techniques.Firstly,this paper introduces the concept and properties of double integral solution skill; Secondly,it introduces the introdu- ction of double integral; finally, according to the concept and nature of the double integral, it gives examples to analyze some application problems in physics, economics and engineering of the double integral.The double integral is the important content of "mathematical analysis", which involves many fields and plays a vital role. we often seek better problem-solving skills in the process of calculation, so as to gain higher efficiency in practical application.Keywords:double integral; properties; solution techniques; application research目录引言 (1)第1章二重积分的概念与性质........................................... - 2 -1.1二重积分的概念...................................................... - 2 -1.2二重积分的性质...................................................... - 6 -第2章二重积分的解法技巧.............................................. - 7 -2.1计算二重积分的方法步骤.............................................. - 7 -2.2直角坐标中下二重积分的计算 .......................................... - 7 -2.3特殊类型的二重积分解题技巧.......................................... - 8 -2.4极坐标系下计算二重积分............................................. - 11 -2.5用变量替换计算二重积分............................................. - 12 -2.6无界区域上的二重积分............................................... - 13 -第3章二重积分的应用研究............................................ - 14 -3.1物理上应用研究..................................................... - 14 -3.2经济上的应用....................................................... - 16 -3.3工程力学上的应用 ................................................... - 18 -结论与展望 ............................................................ - 22 -致谢 ................................................................ - 23 -参考文献 .............................................................. - 24 -附录 .................................................................. - 25 -附录A外文文献及翻译 ................................................. - 25 -附录B 主要参考文献的题录及摘要 ....................................... - 33 -插图清单图1-1 直线网图 (3)图1-2 曲顶柱体图 (5)图1-3 曲顶柱体分割图 (5)引言目前,关于二重积分方面的讨论非常活跃,随着二重积分的不断发展与创新,为使二重积分在各个学科领域中得到更广泛的应用,还得继续探讨与研究。
高等数学课件D92二重积分的计算

电磁学中电荷分布问题
电荷分布概述
在电磁学中,电荷分布是研究电场和 磁场的基础。了解电荷分布对于预测 电场强度、电势差以及电磁波的传播 等具有重要意义。
二重积分在电荷分布 中的应用
二重积分在电磁学中广泛应用于计算 电荷分布。通过将电荷区域离散化为 微小单元,对每个单元的电荷密度进 行积分,并利用二重积分对整个区域 进行积分,可以得到总电荷量和电荷 分布。
在每个子区域内分别进行积分计算,然后将结果相加得到最 终的二重积分值。这种策略可以降低计算难度,提高计算效 率。
03 典型例题分析与求解
平面区域上函数积分问题
确定积分区域
根据题目要求,确定需要积分的平面区域,通常是由 不等式组或曲线围成。
选择积分次序
根据积分区域的形状和复杂性,选择合适的积分次序, 即先对哪个变量进行积分。
图像处理算法与二重积分
在实际应用中,图像处理算法(如直方图均衡化、滤波算法)经常需要利用像素值统计来实现图像增强和特 征提取。二重积分作为计算像素值统计的重要工具,在这些算法中发挥着关键作用。
其他领域应用举例
地理学中的地形分析
在地理学中,地形分析是研究地 表形态和地貌特征的重要手段。 二重积分可以用于计算地表高程、 坡度、坡向等地形参数,进而实 现地形分类、地貌特征提取等应 用。
梯形法
将积分区域划分为若干个小梯形, 以梯形的面积近似代替被积函数 的面积,通过求和所有梯形的面 积得到二重积分的近似值。
辛普森法
在梯形法的基础上,通过采用更 精确的插值多项式来逼近被积函 数,从而提高二重积分计算的精 度。
误差估计及收敛性判断
误差估计
对于不同的数值方法,可以通过理论分析和实际计算来估计其误差的大小,以便更好地控制计算精度 。
二重积分的定义和计算方法

二重积分的定义和计算方法引言:二重积分在数学中扮演着重要的角色,用于求解平面区域上的面积、质量分布、物理量等。
本文将介绍二重积分的定义以及常用的计算方法,帮助读者更好地理解和应用二重积分。
一、二重积分的定义二重积分用于计算平面上某个有界区域的面积或者其他类型的物理量。
其定义如下:设函数f(x,y)在闭区域D(边界为C)上连续,其中D的边界C由有限个简单光滑的曲线组成。
将D划分为m×n个小区域,区域在第i 行第j列的小区域记为ΔSij,并任选ΔSij上一点(xi,yi)。
当ΔSij趋近于零且区域D趋近于闭区间上的有限个点时,若二重极限$$\lim_{\substack{m,n \to\infty}}\sum_{i=1}^{m}\sum_{j=1}^{n}f(xi,yi)\Delta Sij$$存在,且与D的划分和点(xi,yi)的选择无关,则称该极限为函数f(x,y)在闭区域D上的二重积分,记为$$\iint_D f(x,y)dS$$其中,dS表示面积元素。
二、二重积分的计算方法1. 直角坐标系下的二重积分计算当函数f(x,y)在闭区域D上连续或者分段连续时,二重积分的计算可以通过以下两个步骤进行:步骤一:确定积分区域D的范围和边界方程。
根据题目的描述或者所给的图形,确定积分区域D的边界曲线的方程。
可以使用直线、圆等几何图形的方程来描述。
步骤二:建立二重积分的积分式,计算积分。
根据所给的积分区域D,在直角坐标系下建立对应的积分式,然后进行计算。
根据题目需求,可以选择使用直角坐标系的面积元素dS = dxdy或者极坐标系的面积元素dS = r dr dθ。
2. 极坐标系下的二重积分计算当函数f(r,θ)在极坐标系下连续或者分段连续时,二重积分的计算可以通过以下步骤进行:步骤一:确定积分区域D的范围和边界方程。
根据题目给出的信息或者图形,确定积分区域D在极坐标系下的范围和边界曲线的方程。
步骤二:建立二重积分的积分式,计算积分。
二重积分的算法

二重积分的算法二重积分是微积分中的重要概念之一,它在许多科学和工程领域中都有广泛的应用。
二重积分的算法是求解二重积分的方法和步骤,下面将介绍二重积分的算法。
一、二重积分的定义二重积分是对二元函数在有界闭区域上的积分。
设函数f(x,y)在闭区域D上有定义,其中D是一个有界闭区域,D的边界可以用一组参数方程x=x(t),y=y(t),a≤t≤b表示。
则称函数f(x,y)在闭区域D 上的二重积分为:∬D f(x,y) dxdy二、二重积分的计算方法二重积分的计算方法有多种,常见的有直角坐标系下的直接计算法和极坐标系下的极坐标变换法。
1. 直接计算法直角坐标系下的直接计算法是将二重积分转化为两个一重积分的叠加,按照积分的定义逐个计算。
具体步骤如下:(1)确定积分区域D的范围和方向;(2)将二重积分转化为两个一重积分,先对y进行积分,再对x进行积分;(3)根据积分区域D的范围和方向,确定积分的上下限;(4)按照一重积分的定义计算每个一重积分;(5)将两个一重积分的结果相加,得到二重积分的结果。
2. 极坐标变换法极坐标系下的极坐标变换法是通过极坐标系下的变换公式将二重积分转化为极坐标系下的一重积分。
具体步骤如下:(1)确定积分区域D的范围和方向;(2)通过极坐标变换公式将直角坐标系下的二重积分转化为极坐标系下的一重积分;(3)根据积分区域D的范围和方向,确定极坐标下的积分范围和方向;(4)按照一重积分的定义计算极坐标下的一重积分;(5)得到极坐标下的一重积分后,根据极坐标变换公式将其转化为直角坐标系下的二重积分。
3. 其他计算方法除了直接计算法和极坐标变换法外,还有其他一些特殊情况下的计算方法,如利用对称性、变量替换等方法进行计算。
具体使用哪种方法取决于具体的问题和积分区域的特点。
三、二重积分的性质二重积分具有一些重要的性质,包括线性性、保号性、保序性、可加性等。
这些性质在计算二重积分时起到了重要的作用,可以简化计算过程和提高计算效率。
二重积分知识点
二重积分知识点一、引言二重积分是高等数学中的重要内容,是对二元函数在有限区域上的积分运算。
二重积分的概念与求解技巧是深入理解、掌握多元函数的必备工具,也为解决实际问题提供了数学方法。
本文将从二重积分的概念、性质、计算方法和应用等方面,全面详细地介绍二重积分的知识点。
二、概念1. 二重积分的定义设f (x,y )在闭区域D 上有定义,D 由有向闭曲线C 围成,且f (x,y )在D 上有界。
若存在数I ,对于任意给定的正数ε,都存在正数δ,使得对于D 内任意满足Δσ<δ的任意分割σ,对应的任意代点ξij ,总有|∑∑f mj=1n i=1(ξij )Δσij −I|<ε则称I 为函数f (x,y )在闭区域D 上的二重积分,记作I =∬f D(x,y )dσ其中,Δσij 表示第(i,j )个小区域的面积,Δσ表示整个区域D 的面积。
2. 二重积分的几何意义二重积分的几何意义是对二元函数在闭区域上的面积进行逐点求和,即将闭区域D 分割成无穷多个小面积区域,并对每个小面积区域上的函数值进行乘积再求和,最终得到二重积分。
三、性质1. 线性性质设闭区域D上有二重积分∬fD(x,y)dσ,若c为常数,则有∬(cf(x,y)) D dσ=c∬fD(x,y)dσ∬(f(x,y)±g(x,y)) D dσ=∬fD(x,y)dσ±∬gD(x,y)dσ2. 区域可加性设闭区域D可分为非重叠的两部分D1和D2,则有∬fD (x,y)dσ=∬fD1(x,y)dσ+∬fD2(x,y)dσ3. Fubini定理(累次积分)设函数f(x,y)在闭区域D上连续,则有∬f D (x,y)dσ=∫(∫fβ(x)α(x)(x,y)dy)badx=∫(∫fδ(y)γ(y)(x,y)dx)dcdy其中,(x,y)∈D,α(x)≤y≤β(x),γ(y)≤x≤δ(y)。
4. 值定理设函数f(x,y)在闭区域D上一致连续,则存在(ξ,η)∈D,使得∬fD (x,y)dσ=f(ξ,η)∬dDσ=f(ξ,η)σ(D)其中,σ(D)表示闭区域D的面积。
二重积分的计算小结
二重积分的计算小结在数学中,二重积分是一种用来计算平面上曲线下的面积的方法。
它是定积分的扩展,可以用于计算更加复杂的形状的面积,例如圆形、椭圆形和弧形等。
在本文中,我们将详细介绍二重积分的计算方法,并提供一些重要的应用案例和技巧。
同时,我们还将讨论二重积分的性质以及它与其他数学概念的关系。
设 $f(x,y)$ 是定义在闭区域 $D$ 上的实函数,将闭区域 $D$ 分成许多小的矩形区域,其中第 $i$ 个小矩形的面积为 $\Delta A_i$,选择任意一点 $(x_i^*, y_i^*)$ 作为该矩形的代表点,则二重积分的近似值可以表示为:$$\sum_{i=1}^n f(x_i^*, y_i^*) \Delta A_i$$其中,$n$ 是划分区域时小矩形的个数,$\Delta A_i$ 是第 $i$ 个小矩形的面积。
当划分的小矩形越来越小,并且代表点 $(x_i^*, y_i^*)$ 在每个小矩形内部时,这个近似值将趋近于一个常数,即二重积分的值。
我们用符号 $\iint_D f(x,y) dA$ 表示二重积分的值,其中 $dA$ 表示对面积的微元。
接下来,我们将介绍几种计算二重积分的方法。
一、二重积分的计算方法1. 矩形法(Riemann和):将区域 $D$ 划分为若干个小的矩形区域,计算每个矩形的面积和函数值,并将它们相加得到近似值。
2. 二次积分法(Fubini定理):根据 Fubini 定理,我们可以将二重积分转化为两个一重积分的乘积:$$\iint_D f(x,y) dA = \int_a^b \left( \int_c^d f(x,y) dy\right) dx$$3. 极坐标法:当区域 $D$ 的形状具有旋转对称性时,使用极坐标计算二重积分可以更加简便。
通过转化为极坐标系,并利用极坐标下的Jacobian 行列式,可以将原二重积分转化为对一重积分的积分。
4. 线性代换法:对于不规则区域,我们可以通过线性代换将其转换为规则区域,然后再进行计算。
多重积分的计算方法与应用
多重积分的计算方法与应用积分是微积分的重要概念之一,用于求解曲线下面的面积、体积、质量等问题。
在实际应用中,我们常常需要对多维变量进行积分求解。
这就引出了多重积分的概念和相应的计算方法。
本文将介绍多重积分的计算方法,并探讨其在实际问题中的应用。
一、二重积分的计算方法二重积分是对二维平面上的函数进行积分。
常用的计算方法有直角坐标系下的矩形法和极坐标系下的极坐标法。
1. 矩形法矩形法是基于直角坐标系的计算方法。
将被积函数的定义域分割成小的矩形区域,然后分别计算每个矩形区域的面积和函数值,并求和得到最终的积分结果。
矩形法的计算精度受到分割的矩形区域大小和数量的影响,一般情况下,矩形越小、分割越多,计算结果越精确。
2. 极坐标法极坐标法适用于具有旋转对称性的函数。
通过引入极坐标系,将二重积分转化为对半径和角度的积分。
在极坐标系下,可以通过调整极坐标的范围和积分顺序,简化被积函数的形式,从而减少计算复杂度。
二、三重积分的计算方法三重积分是对三维空间中的函数进行积分。
常用的计算方法有直角坐标系下的长方体法和柱面坐标系下的柱面法。
1. 长方体法长方体法是基于直角坐标系的计算方法。
将被积函数的定义域分割成小的长方体区域,然后分别计算每个长方体区域的体积和函数值,并求和得到最终的积分结果。
与二重积分的矩形法类似,长方体法的计算精度受到分割的长方体区域大小和数量的影响。
2. 柱面法柱面法适用于具有旋转对称性的函数。
通过引入柱面坐标系,将三重积分转化为对半径、角度和高度的积分。
柱面法的优势在于简化被积函数的形式,从而减少计算复杂度。
三、多重积分的应用多重积分在实际问题中具有广泛的应用。
以下以几个典型的应用场景为例进行介绍。
1. 几何体的体积计算多重积分可以用于计算复杂几何体的体积。
通过将几何体分割成小的体积元素,然后对每个体积元素进行积分求和,可以得到几何体的体积。
例如,可以利用三重积分计算球体、圆柱体和锥体等的体积。
二重积分的工程和技术应用
二重积分的工程和技术应用二重积分在现代工程和技术领域中有着广泛的应用。
由于其能够处理平面内的各种形状与区域,因此在许多领域中被认为是非常有用的工具。
本文将讨论二重积分在工程和技术应用中的一些实例,这些实例将涵盖机械学、地球物理学、计算机科学和建筑学等领域。
机械学二重积分在机械学中具有广泛的应用。
许多机械运动问题就可以利用它来求解。
例如,设一个平面图形位于一个带有边界条件的区域内。
为了计算该图形的总体积,我们需要使用二重积分。
使用这种方法,我们可以使用矩阵积分来表示这个区域的大小,其中矩阵的值可以视为每个点的深度或高度。
这种方法可以轻松地应用于许多机械设计问题,例如机械零件的表面积、它们的质心和它们的惯性矩。
地球物理学二重积分也在地球物理学中引起了很大的兴趣,并被广泛应用。
其中一个实例如何测量地球表面的重力场。
在这种情况下,使用二重积分可计算这个场的求和。
同样地,二重积分还可应用于地震学中,尤其是在计算地球表面的方位角时,这也被认为是非常有用的地震学工具。
计算机科学二重积分在计算机科学中也有着广泛的使用。
在计算机模拟中,二重积分可以轻松地求解一些复杂的场问题。
这种模拟也可以被用于许多重要的应用程序,例如CFD和CAD,这些应用程序需要处理复杂的流、换热和运动问题。
在这种模拟中,二重积分可以通常用来计算物理量的平均值等数据。
建筑学二重积分还可以应用于建筑学中。
在建筑设计中,二重积分可以帮助我们计算房屋的风力负载、地震负载和其他外部负载,这对于设计一个安全的建筑来说是非常重要的。
利用二重积分递归算法,我们还可以计算出重力负载、建筑物在空间上的位置和其他相关属性、这些都是影响建筑物结构强度和确定中心点的非常重要因素。
总结综上所述,二重积分在现代工程和技术领域中的应用非常广泛,而且它们对于当今的实践来说是不可或缺的。
本文提供了一些关于二重积分的不同领域的应用实例,包括机械学、地球物理学、计算机科学和建筑学。
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学号14051103学年论文论文题目:二重积分的计算与应用研究院(系)名称:信息工程学院专业名称:数学与应用数学专业学生姓名:丁乾龙指导教师:王君(讲师)学院2017年9月学号14051103密级公开二重积分的计算与应用研究Double Integral Calculation and ItsApplication学生:丁乾龙所在学院:信息工程学院所在专业:数学与应用数学指导教师:王君职称:讲师所在单位:学院论文提交日期:2017年08月25日论文答辩日期:学位授予单位:目录摘要 (IV)ABSTRACT (V)前言 (1)第1章绪论 (2)1.1 选题背景 (2)1.2 选题意义 (2)1.3研究现状 (2)1.4研究思路 (3)第2章二重积分的基本计算方法 (4)2.1 二重积分的定义与性质 (4)2.2 利用直角坐标系计算二重积分 (5)2.3 利用变量替换法计算二重积分 (7)2.4利用极坐标系计算二重积分 (9)第3章特殊二重积分的计算技巧 (12)3.1 利用函数奇偶性与区域对称性计算 (12)3.2 利用格林公式计算 (13)3.3 利用轮换法计算 (14)3.4 利用二重积分的几何意义计算 (14)结论 (16)参考文献 (17)摘要二重积分在现实中有着广泛的应用,二重积分可用于求解空间立体体积和曲面面积。
在物理力学中,二重积分也有着不可代替的作用。
本文给出二重积分的概念及基本性质,在此基础上总结了二重积分的七种比较常见的计算方法与计算技巧:利用直接坐标系计算、利用变量特换法计算、利用极坐标系计算、利用函数的奇偶性和区域对称性计算、利用格林公式计算、利用轮换法计算、利用二重积分的几何意义计算,还研究了一些二重积分在物理力学、计算空间立体体积、计算曲面面积、计算曲线积分和曲面积分等方面的应用问题。
关键词:二重积分;计算方法;计算技巧ABSTRACTThe double integral is widely used in practice, the double integral can be used to solve the three-dimensional volume and surface area. In mechanics, the double integral also has an irreplaceable role.This paper gives the concept and nature of the double integral, on the basis of summing up the seven common calculation method of double integral and calculation skills:using direct coordinate system to calculate, using variable replacement method to calculate, using the polar coordinate to calculate, using function and regional symmetry to calculate, using the parity of green formula to calculate, using the method of rotation to calculate, using the geometric meaning of double integral to calculate, also studies on some practical problems about the double integral such as physical mechanics, calculation of three-dimensional volume, surface area calculation, the calculation of curvilinear integral and surface integral.Key words: double integral;computational methods;computational skills;前言二重积分是《数学分析》中的重要容,它上承接着定积分,下引出三重积分和曲线积分、曲面积分.它在几何、物理、经济学等多个科学都有极其广泛的应用.函数的二重积分是《数学分析》中的重要容,它涉及到多个科学领域,并起着至关重要的作用.然而在计算函数二重积分的过程中,由于计算和函数比较繁琐,因此按照二重积分的定义计算二重积分有很大的局限.计算机的广泛应用,特别是MATLAB等数学计算软件的迅猛普及为二重积分的发展和应用开辟了广阔的前景.然而计算函数二重积分往往比较复杂和繁琐,因此,研究二重积分的计算不仅很有必要,而且不断寻找简便的算法仍然是二重积计算方面的重要课题.第1章绪论1.1 选题背景对于二重积分的应用主要体现在求曲线积分,曲面积分,曲面面积和物理学中的一些平面薄板的重心坐标,转动惯量以及对质点的引力等问题,利用二重积分可以巧妙解决这些问题,因此二重积分的计算与应用在物理学当中,尤其是在数学分析里是一门不可缺少的重要知识。
1.2 选题意义二重积分的计算和应用研究在高等数学研究中具有重要意义,对于二重积分的研究不仅仅体现在理论上,与其相关的几何模型和物理模型也在被讨论研究.二重积分的研究虽然以前也有不少人研究过,但多数人只是理论上研究,在实际应用中的研究还比较少,比如在求物体的重心,以及引力等,甚至经济学中方面相关深入的研究比较狭窄[4].在有些应用当中,我们会遇到一些二重积分基本运算问题,即在给定的被积函数和积分区域比较特殊时,计算二重积分,此时计算量就会很大.因此,不断寻找简便的算法便成为二重积分运算方面的重要课题。
1.3 研究现状采用层进式教学法可以由浅入深的让学生轻松掌握这种积分的算法.是高等数学的重点,也是难点,计算较为繁琐,有的二重积分需要一定的技巧才能求出,二重积分的计算方法主要是在极坐标系和直角坐标系下将二重积分化为二次积分,进而要利用两次定积分计算此二重积分,但是某些二重积分化为二次积分后计算仍相当困难,这时,我们就要采用特殊的算法计算。
文献[1]介绍了二重积分的发展及其相关应用;[2]~[15]主要介绍了二重积分的一些计算方法和相关性质定理;[16]~[26]主要介绍了一些二重积分在力学方面的一些应用.兆顺探究了直角坐标系下二重积分的计算;毅探究了利用变量替换与极坐标系下二重积分的计算;娟探究了利用函数的奇偶性和积分区域的对称性简化二重积分的计算;赫探究了利用格林公式来计算二重积分,本文在此基础上还探究了一下利用轮换法,格林公式,二重积分的几何意义来计算一些特殊的二重积分[9]~[13].1.4选题意义通过查看图书与学校电子阅览室里的有关二重积分计算的资料,最终分析决定主要研究以下几个方面:(1)二重积分的基本计算方法;(2)二重积分的特殊计算方法;(3)二重积分的应用.根据被积函数和积分区域的不同特征熟练采用不同的计算方法求二重积分.上述介绍的几种方法不一定全是最简单的,也不是独立存在的,有时还需要相互配合使用.总之,在二重积分计算过程中要充分运用被积函数和积分区域的特征寻求最佳计算方法,这对于知识的在联系及推广思路,是大有裨益的,而能熟练选择出最简单的计算方法的能力需要在实践中逐步提高。
本课题最终将达到的目标:根据被积函数和积分区域的特点选择简便的计算方法;利用二重积分的一些性质来解决实际问题。
第2章 二重积分的基本计算方法2.1 二重积分的定义与性质设),(y x f 是定义在可求面积的有界闭区域D 上的函数,J 是一个确定的数,若对任给的正数ε,总存在某个正数δ,使对于D 的任何分割T ,当它的细度T <δ时,属于T 的所有积分和都有εδηξ<-∆∑=J f i i i ni ),(1, (1)则称),(y x f 在D 上可积,数J 称为函数),(y x f 在D 上的二重积分,记作 ⎰⎰=Dd y x f J σ),(,其中),(y x f 称为二重积分的被积函数,x ,y 称为积分变量,D 称为积分区域.当0),(≥y x f 时,二重积分⎰⎰Dd y x f σ),(在几何上就表示以),(y x f z =为曲顶,D为底的曲顶柱体的体积.当1),(=y x f 时,二重积分⎰⎰Dd y x f σ),(的值就等于积分区域D的面积.由二重积分定义知道,若),(y x f 在区域D 上可积,则与定积分情况一样,对任何分割T ,只要当δ<T 时,(1)式都成立.因此为方便计算起见,常选取一些特殊的分割方法,如选用平行于坐标轴的直线网来分割D ,则每一小网眼区域σ的面积y x ∆∆=∆σ.此时通常把⎰⎰Dd y x f σ),(记作⎰⎰Ddxdy y x f ),(.二重积分具有一系列与定积分完全相类似的性质,现列举如下:性质1 若),(y x f 在区域D 上可积,k 为常数,则(,)kf x y 在D 上也可积,且 ⎰⎰⎰⎰=DDd y x f k d y x kf σσ),(),(.性质2 若(,),(,)f x y g x y 在D 上都可积,则),(),(y x g y x f ±在D 上也可积,且[]⎰⎰⎰⎰⎰⎰±=±DDDd y x g d y x f d y x g y x f σσσ),(),(),(),(.性质3 若),(y x f 在1D 和2D 上都可积,且1D 与2D 无公共点,则),(y x f 在21D D 上也可积,且⎰⎰⎰⎰⎰⎰+=⋃2121),(),(),(D D D D d y x f d y x f d y x f σσσ .性质4 若(,),(,)f x y g x y 在D 上可积,且D y x y x g y x f ∈≤),(),,(),(,则⎰⎰⎰⎰≤DDd y x g d y x f σσ),(),(.性质5 若),(y x f 在D 上可积,则函数),(y x f 在D 上也可积,且σσd y x f d y x f DD⎰⎰⎰⎰≤),(),(.性质6 若),(y x f 在D 上可积,且D y x M y x f m ∈≤≤),(,),(,则D DD MS d y x f mS ≤≤⎰⎰σ),(这里D S 是积分区域D 的面积.性质7(中值定理) 若),(y x f 在有界闭区域D 上连续,则存在D ∈),(ηξ,使得DDSf d y x f ),(),(ηξσ=⎰⎰这里D S 是积分区域D 的面积.中值定理的几何意义是以D 为底,()0),(),(≥=y x f y x f z 为曲顶的曲顶柱体体积等于一个同底的平顶柱体的体积,这个平顶柱体的高等于),(y x f 在区域D 中某点),(ηξ的函数值),(ηξf .2.2利用直角坐标系计算二重积分定理1 设),(y x f 在矩形区域=D ],[],[d c b a ⨯上可积,且对每个],[b a x ∈,积分⎰dcdy y x f ),(存在,则累次积分⎰⎰dcb ady y x f dy ),(也存在,且⎰⎰⎰⎰=dcb aDdy y x f dx d y x f ),(),(σ.定理2 设),(y x f 在矩形区域],[],[d c b a D ⨯=上可积,且对每个],[d c y ∈,积分⎰badx y x f ),(存在,则累次积分⎰⎰d cbadx y x f dy ),(也存在,且⎰⎰⎰⎰=baDd cdx y x f dy d y x f ),(),(σ.定理3 设有界闭区域D 是由两条交合曲线)(1x y φ=与)(2x y φ=,b x a ≤≤且)()(21x x φφ<,以及直线a x =与b x =所围成,若函数),(y x f 在D 上连续,则有⎰⎰⎰⎰=)()(21),(),(x x Dbady y x f dx dxdy y x f φφ.定理4 设有界闭区域D 是由两条交合曲线)(1y x φ=与)(2y x φ=,d y c ≤≤且)()(21y y φφ<以及直线c y =与d y =所围成,若函数),(y x f 在D 上连续,则有⎰⎰⎰⎰=Ddcy y dx y x f dy dxdy y x f )()(21),(),(φφ.例1 计算二重积分dxdy yx D⎰⎰22,其中区域D 是由直线2=x ,x y =和双曲线1=xy 所围成.解 :先对y 积分后对x 积分,将D 积分在x 轴上,在区间]2,1[,对任意]2,1[∈x ,对y 积分,在D y 的积分顺序是xy 1=到x y =,然后在积分区间]2,1[上对x 积分,即49)(2131222122=-==⎰⎰⎰⎰⎰dx x x dy y x dx dxdy y x x x D. 同理,如果先对x 积分后对y 积分,也可得到相应结果.若给定的积分为二次积分,但它不能用初等函数形式表示出来或者积分的计算量较大,可考虑交换积分次序,其一般步骤为:(1)先根据给定的二次积分限,写出积分区域的不等式表达式,并依此作出区域的图形;(2)根据区域的图形,重新选择积分限,化为另一种类型的二重积分.特别地,若积分被积函数中出现x xsin ,2sin x ,2x e -,xy e 等函数时,也可利用分部积分法来计算[6]. 例2 设D 是由直线10==yx ,及x y =围成的区域,试计算:σd e x Iy D22-⎰⎰=的值.解 :若用先对y 后对x 的积分,则 dy e dx x I xy ⎰⎰-=11022.由于函数2y e -的原函数无法用初等函数形式表示,因此改用另一种顺序的累次积分,则有dy e y dx e x dy I y y y22103021031--⎰⎰⎰==.由分部积分法,即可算得: eI 3161-=. 许多常见的区域都可以分解成为有限个除边界外无公共点的x 型区域或y 型区域.因而解决了x 型区域或y 型区域上二重积分的计算问题,那么一般区域上二重积分的计算问题也就得到了解决. 例3 计算二重积分⎰⎰Dd σ,其中D 为由直线y x x y 22==,及3=+y x 所围的三角形区域.解:当把D 看作x 区域时,相应的⎭⎬⎫⎩⎨⎧≤≤≤≤=x y x x y x D 22,10),(1,⎭⎬⎫⎩⎨⎧-≤≤≤≤=x y xx y x D 32,21),(2.所以⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰-+=+=213212212xx DD D xx dy dx dy dx d d d σσσdx x x dx x x )23()22(211⎰⎰--+-=2312433014322=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+⎥⎦⎤⎢⎣⎡=x x x .2.3利用变量替换法计算二重积分当被积函数较为复杂,这时可以考虑利用变量变换化被积函数为简单函数,原积分区域相应的转化为新的积分区域,进而利用公式进行计算[7].引理 设变换),(:v u x T =,),(v u y y =将uv 平面上由按段光滑封闭曲线所围的闭区域∆,一对一地映成xy 平面上的闭区域D ,函数),(v u x ,),(v u y 在∆分别具有一阶连续偏导数且它们的函数行列式0),(),(),(≠∂∂=v u y x v u J ,∆∈),(v u ,则区域D 的面积dudv v u J D u D⎰⎰=),()(.定理5 设),(y x f 在有界闭区域D 上可积,变换),(:v u x x T =,),(v u y y =将uv 平面由按段光滑封闭曲线所围成的闭区域∆一对一地映成xy 平面上的闭区域D ,函数),(v u x ,),(v u y 在∆分别具有一阶连续偏导数且它们的函数行列式0),(),(),(≠∂∂=v u y x v u J ,∆∈),(v u 则()dudv v u J v u y v u x f dxdy y x f D ),(),(),,(),(⎰⎰⎰⎰∆=. 例4 求dxdy eDyx yx ⎰⎰+-,其中D 是由0=x ,0=y ,1=+y x 所围区域.解:为了简化被积函数,令y x u -=,y x v +=,为此作变换 T )(21:v u x +=,)(21u v y -=,则02121212121),(>=-=v u J ,在变换T 的作用下, 4)(212121110110---∑+--=-==⋅=⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰e e dv e e v du e dv dudv e dxdy ev v v uvuDyx y x .例5 求抛物线mx y =2,nx y =2和直线x y α=,x y β=所围成区域D 的面积)(D u n m <<0(,)0βα<<.解:D 的面积⎰⎰=Ddxdy D u )(.为了简化积分区域,作变换2v u x =,vuy =. 它把xy 平面上的区域D 对应到uv 平面上的矩形区域],[],[βα⨯=∆n m .由于0121),(4232>=--=v u vu vv uv v u J ,∆∈),(v u ,所以dudv v ud D D ⎰⎰⎰⎰∆==4)(σμ33332246))((βααββα--=⋅=⎰⎰m n udu v dv n m . 2.4 利用极坐标系计算二重积分当积分区域是圆域或圆域的一部分,或者被积函数的形式为)(22y x f +时,采用极坐标变换+∞<≤⎩⎨⎧==r r y r x T 0,sin ,cos :θθ,πθ20≤≤往往能达到简化积分区域或被积函数的目的.此时,变换T 的函数行列式为r r r r J =-=θθθθθcos sin sin cos ),(.应用极坐标替换将直角坐标系中的二重积分化为极坐标系中的二重积分,能简化二重积分的计算,二重积分的极坐标替换是 ⎰⎰⎰⎰=DDrdrd r r f dxdy y x f θθθ)sin ,cos (),(.下面介绍二重积分在极坐标系下如何化为累次积分计算.(1) 若原点0D ∉且xy 平面上射线=θ常数与D 的边界至多交于两点,则∆可表示成)()(21θθr r r ≤≤,βθα≤≤, 于是有⎰⎰⎰⎰=)()(21)sin ,cos (),(θθβαθθθr r Drdr r r f d dxdy y x f .类似地,若xy 平面上的圆=r 常数与D 的边界至多交于两点,则∆必可表示为)()(21r r θθθ≤≤,21r r r ≤≤,所以⎰⎰⎰⎰=)()(2121)sin ,cos (),(r r Dr r d r r f rdr dxdy y x f θθθθθ.(2)若原点为D 的点,D 的边界的极坐标方程为)(θr r =,则∆可表示成)(0θr r ≤≤,πθ20≤≤,所以⎰⎰⎰⎰=)(020)sin ,cos (),(θπθθθr Drdr r r f d dxdy y x f .(3)若原点0在D 的边界上,则∆为)(0θr r ≤≤,βθα≤≤, 于是有⎰⎰⎰⎰=)(0)sin ,cos (),(θβαθθθr Drdr r r f d dxdy y x f .例6 计算dxdy e I Dy x⎰⎰--=22,其中D 为区域122≤+y x .解 :如果用直角坐标系来计算,这个积分却无法求出,现采用极坐标, 此时D 表示为10≤≤r ,πθ20≤≤,故有 )1()(21121020120222-----=--===⎰⎰⎰⎰⎰⎰e r d e d dr re d rdrd e I r r Dr πθθθππ. 例7 计算⎰⎰--=Dy x d I 221σ,其中D 为圆域:122≤+y x .解:由于原点为D 的点,故有[]πθθθσπππ20111120202122022==--=-=--⎰⎰⎰⎰⎰⎰d d r dr rr d yx d D.与极坐标相类似,我们也可以作下面的广义极坐标变换:+∞≤≤⎩⎨⎧==r br y ar x T 0,sin ,cos :θθ,πθ20≤≤, 并计算得abr br b ar a r J =-=θθθθθcos sin sin cos ),([8].例8 求椭球体1222222≤++cz b y a x 的体积.解:由对称性,椭球体的体积V 是第一卦限部分体积的8倍,这一部分是以22221b y a x c z --=为曲顶,⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧≤≤-≤≤=a x a x b y y x D 0,10),(22为底的曲顶柱体,所以dxdy b y a x c V D⎰⎰--=222218.应用广义极坐标变换,由于21r c z -=,因此abrdr r c d V ⎰⎰-=122018πθabc dr r r d abc 34181220πθπ=-=⎰⎰.第3章 特殊二重积分的计算技巧3.1 利用函数奇偶性与区域对称性计算(1)设区域D 关于y 轴对称,若函数)(x f 关于x 是奇函数,因为函数)(x f 关于x 是奇函数,即关于原点对称,所以有),(),(y x f y x f -=-,则⎰⎰=Ddxdy y x f 0),(;若函数)(x f 关于x 是偶函数,因为函数)(x f 关于x 是偶函数,即关于y 轴对称,所以有),(),(y x f y x f =-,则⎰⎰⎰⎰=DD dxdy y x f dxdy y x f 1),(2),( (其中1D 是区域D 位于y 轴右侧的部分).(2)设区域D 关于x 轴对称,若函数)(x f 关于y 是奇函数,因为函数)(x f 关于y是奇函数,即关于原点对称,所以有),(),(y x f y x f -=-,则⎰⎰=Ddxdy y x f 0),(;若函数)(x f 关于y 是偶函数,因为函数)(x f 关于y 是偶函数,即关于x 轴对称,所以有),(),(y x f y x f =-,则⎰⎰⎰⎰=1),(2),(D Ddxdy y x f dxdy y x f (其中1D 是区域D 位于x 轴上侧的部分).(3)设区域D 关于x 轴和y 轴都对称,同时)(x f 也是关于y x ,对称的,因为区域D 关于x 轴和y 轴对称,)(x f 也是关于y x ,对称,所以有),(),(y x f y x f =-,),(),(y x f y x f =-,则有⎰⎰⎰⎰=DD dxdy y x f dxdy y x f 1),(4),((其中1D 是区域D 位于第一象限中的部分).下面仅证明(1),类似可以证明(2),由(1)和(2)可得(3).证明:由条件知,1),(D y x ∈∀,则2),(D y x ∈-,其中21,DD 分别是y 轴右侧,左侧的部分.从而⎰⎰⎰⎰⎰⎰+=DD D dxdy y x f dxdy y x f dxdy y x f 12),(),(),(,令x u -=,y v =则11001-=-=J ,1=J . 当),(y x f 关于x 是奇函数,即),(),(y x f y x f -=-时,有⎰⎰⎰⎰⎰⎰-=-=212),(),(),(D D D dxdy y x f dxdy J y x f dxdy y x f故⎰⎰=Ddxdy y x f 0),(.当),(y x f 关于x 是偶函数,即),(),(y x f y x f =-时,有⎰⎰⎰⎰⎰⎰=-=212),(),(),(D D D dxdy y x f dxdy J y x f dxdy y x f故⎰⎰⎰⎰=D D dxdy y x f dxdy y x f 1),(2),(.例9 计算双纽线)(2)(222222y x a y x -=+所围成的面积.解:采用极坐标变换θcos r x =,θsin r y =,双纽线的极坐标方程是θ2cos 222a r =.因为双纽线关于x 轴和y 轴对称,于是,双纽线所围成区域D 的面积A 是第一象限那部分区域面积的四倍. 第一象限那部分区域是)40(2cos 20:πθθ≤≤≤≤a r , 于是24022cos 204022cos 44a d a rdr d dxdy A a D ====⎰⎰⎰⎰⎰θθθπθπ.例10 计算()dxdy y x I D⎰⎰+=,其中D : 122≤+y x .解法1:0=x ,0=y 时,D 分为四个区域,即D 在一,二,三,四象限的部分依次记为4321,,,D D D D .38)()()()()()()()(011001011001101022224321=-+--++-++=-+--++-++=⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰--------x x x x D D D D dy y x dx dy y x dx dy y x dx dy y x dx dxdyy x dxdy y x dxdy y x dxdy y x I 利用极坐标计算这个二重积分解法2:(利用奇偶对称性)由于积分区域D 关于x 轴和y 轴对称,而被积函数关于x 和y 是偶函数.因此有 rdr r r d dxdy y x I D )sin cos (4)(410201⎰⎰⎰⎰+=+=θθθπ38)sin (cos 31420=+=⎰θθθπd . 3.2利用格林公式计算定理6 若函数),(y x P ,),(y x Q 在闭区域D 上连续,且有连续的一阶偏导数,则有⎰⎰⎰+=∂∂-∂∂L D Qdy Pdx d yP x Q σ)(,这里L 为区域D 的边界曲线,并取正方向. 格林公式沟通了沿闭曲线的积分与二重积分之间的联系.例11 计算dxdy e Dy ⎰⎰-2,其中D 是以)0,0(O ,)1,1(A ,)1,0(B 为顶点的三角形闭区域. 解:令0=P ,2y xe Q -=,则2y e yP x Q -=∂∂-∂∂,应用格林公式有 )1(211102222---++---====⎰⎰⎰⎰⎰e dx xe dy xe dy xe dxdy ex OA y BO AB OA y D y . 3.3 利用轮换法计算当积分区域关于直线x y =对称时,有些二重积分可用轮换坐标的方法来简化计算.轮换坐标是换元法的一种特殊形式,即将x ,y 互换.将x ,y 更换顺序后,相当于将坐标轴重新命名,积分区域没有发生变化,则被积函数作相应变换后,积分值不变.例12 求dxdy b y a x I D)(2222+=⎰⎰,其中D 为区域222R y x ≤+. 解:积分区域关于直线x y =对称,根据轮换坐标对称性,将x ,y 互换,则dxdy b x a y dxdy b y a x DD )()(22222222+=+⎰⎰⎰⎰dxdy y x b a dxdy b x a y dxdy b y a x I DD D )()11(21)()(21222222222222++=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+++=⎰⎰⎰⎰⎰⎰ )11(4)11(21224022022b a R rdr r d b a R +=+=⎰⎰πθπ. 3.4 利用二重积分的几何意义计算二重积分的几何意义是各部分区域上柱体体积的代数和,在xoy 平面上方的取正,在xoy 平面下方的取负[15].例13 计算二重积分σd y x a D⎰⎰--222,其中222:a y x D ≤+.解:投影区域为圆域222:a y x D ≤+.被积函数为半球面.222y x a z --= 由二重积分的几何意义得33222323421a a d y x a D ππσ=⋅=--⎰⎰.结论本次的论文是对大学学习的一个总结.在历时将近两周的时间里,在查找资料,准备开题和论文设计过程中,遇到了许许多多的问题,在遇到问题,分析问题和解决问题的过程中,论文也慢慢地成型,虽然在某些细节上还是比较粗糙,但总体上还是达到了基本的研究要求,基本可以解决一些常见的二重积分的计算这一问题,为二重积分的计算提供一个参照.当然,在具体求解一个二重积分的计算时,根据被积函数和积分区域的特点采用不同的计算方法是求二重积分的关键.上述介绍的几种方法不一定全是最简单的,也不是独立存在的,有时还需要相互配合使用.总之,在二重积分的求解过程中要充分运用已知条件选择最佳计算方法,这对于沟通积分各部分容之间的联系及推广思路,是大有裨益的,而能熟练选择出最简单的计算方法的能力需要在实践中逐步提高.参考文献[1] 林曙,黎诣远.微积分[M].:高等教育,2005.[2] 华东师大学数学系.数学分析(下)[M].:高等教育,2001.[3] 玉琏,傅沛仁.数学分析讲义[M].:高等教育,2001.[4] 郭运瑞.高等数学[M].:西南交通大学,2010.[5] 甄海燕.二重积分的计算方法[J].商业职业技术学院,2012,12(5):86~88.[6] 振来.数学分析同步辅导及习题精粹(下) [M].天津:天津科学技术,2009.[7] 费定晖,周学圣.吉米多维奇数学分析习题集题解(6)[M].:科学技术,2003.[8] 德新.高等数学学习与解题指导[M].:大学,2009.[9] 兆顺.谈二重积分的计算[J].教育学院学报,2007,16(2):7~10.[10] 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